相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)安全快速鉆完井技術(shù)集成應(yīng)用

譚 賓

1中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程技術(shù)有限公司 2國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心

0 引言

類似于分布式能源系統(tǒng)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)因其儲(chǔ)存方便、應(yīng)變快、運(yùn)行穩(wěn)定，已逐步取代長(zhǎng)途管道輸送供氣，成為解決供、需方地理位置差異及天然氣市場(chǎng)旺、淡季需求量不同而造成的供需不平衡矛盾的主要手段，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、應(yīng)急保供和戰(zhàn)略儲(chǔ)備，關(guān)乎國(guó)計(jì)民生大事，具有重大的社會(huì)效益[1- 4]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)始于1915年，由加拿大在Wellland氣田利用枯竭氣藏建成的世界上第一座地下儲(chǔ)氣庫(kù)[5- 6]。根據(jù)國(guó)際天然氣協(xié)會(huì)(CEDIGAZ)2021年發(fā)布的《全球地下儲(chǔ)氣庫(kù)2021》報(bào)告[7]，截至2020年底，全球現(xiàn)有661座儲(chǔ)氣庫(kù)在運(yùn)行，另有91座在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)中。我國(guó)第一座商業(yè)用儲(chǔ)氣庫(kù)大港大張坨儲(chǔ)氣庫(kù)始建于1999年[8]，經(jīng)過(guò)20余年的技術(shù)發(fā)展，儲(chǔ)氣庫(kù)在建設(shè)數(shù)量和建設(shè)規(guī)模上已進(jìn)入世界前列。伴隨著碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)能源供需結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻的轉(zhuǎn)變，天然氣的消費(fèi)也將迎來(lái)大規(guī)模增長(zhǎng)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)在未來(lái)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與小康社會(huì)建設(shè)中起到不可或缺的作用，而我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的數(shù)量和規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到此要求[9]。

儲(chǔ)氣庫(kù)按儲(chǔ)集空間類型分為枯竭型油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)和礦坑及巖洞儲(chǔ)氣庫(kù)[10]。其中，枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)因地質(zhì)情況清楚、具有氣藏剩余氣量可作為基礎(chǔ)墊底氣的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前主要的儲(chǔ)氣庫(kù)選址對(duì)象[11]。國(guó)外在歷經(jīng)了上百年的技術(shù)積累后已有較完整的建庫(kù)配套技術(shù)[12]。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域總體起步較晚，相關(guān)學(xué)者雖已做了較多的研究[13- 20]，儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)技術(shù)也得到了明顯進(jìn)步，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下安全快速鉆完井、儲(chǔ)層保護(hù)及井筒完整性控制等方面還面臨挑戰(zhàn)[21]。本文就西南地區(qū)首座儲(chǔ)氣庫(kù)——中衛(wèi)—貴陽(yáng)聯(lián)絡(luò)線上配套相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)在建設(shè)中面臨的問(wèn)題、技術(shù)及應(yīng)用成效進(jìn)行了闡述，通過(guò)技術(shù)集成應(yīng)用成功解決了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性難題和各功能井的井筒完整性控制難題，為國(guó)內(nèi)同類型儲(chǔ)氣庫(kù)的安全快速建設(shè)提供參考。

1 相國(guó)寺構(gòu)造地質(zhì)特點(diǎn)

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)集層在氣藏開(kāi)采中采空率已達(dá)96.60%，為典型的枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)。由于受其地理位置及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，除了具有與其它枯竭型氣藏共有的低壓易漏失特性外，還存在以下地質(zhì)特點(diǎn)。

1.1 上部地層破碎

庫(kù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要以須家河組地層出露，中上部地層為雷口坡組和嘉陵江組。須家河組地層膠結(jié)差或未膠結(jié)，裂縫和洞穴發(fā)育；雷口坡組受印支運(yùn)動(dòng)影響，剝蝕嚴(yán)重；嘉陵江組以碳酸鹽巖為主，溶孔、溶洞、大裂縫發(fā)育。老井在鉆井過(guò)程中普遍表現(xiàn)為長(zhǎng)段、失返型的惡性井漏，鉆井液漏失量在數(shù)千至數(shù)萬(wàn)立方米不等，是制約儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)濟(jì)性建設(shè)的重大瓶頸之一。新鉆注采井XC7井在采用空氣鉆進(jìn)的情況下仍鉆遇三個(gè)嚴(yán)重漏失段，表現(xiàn)為井口無(wú)巖屑及氣體返出，在增加氣體排量至300 m3/h后井口才僅有氣體返出；XC8井因繞障作業(yè)需要采用鉆井液鉆進(jìn)，鉆至井深163 m即出現(xiàn)嚴(yán)重井漏，邊鉆邊堵，耗時(shí)28 d鉆至井深337 m中止，隨后經(jīng)過(guò)14 d專項(xiàng)堵漏無(wú)果后轉(zhuǎn)換為充氣工藝才得以繼續(xù)鉆進(jìn)，后續(xù)又在421～424 m、435～471 m鉆遇多處洞穴。

1.2 礦產(chǎn)資源豐富

根據(jù)《相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)井位影響范圍內(nèi)礦區(qū)調(diào)查報(bào)告》，庫(kù)區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)分布區(qū)域幾乎布滿整個(gè)背斜山脈，礦種以煤礦和石膏礦為主，少量硫鐵礦，存在大片淺部采空區(qū)，如圖1所示。

注：圖中距離為距礦產(chǎn)登記邊界距離。

1.3 典型高陡地質(zhì)構(gòu)造

相國(guó)寺區(qū)域構(gòu)造屬于川東南中隆高陡構(gòu)造區(qū)華鎣山構(gòu)造群南端的一個(gè)局部構(gòu)造[22- 25]，呈北東向展布。構(gòu)造東西翼各發(fā)育一條長(zhǎng)度大致與背斜軸線相當(dāng)、走向與軸線一致的大型傾軸逆斷層，主體為斷壘式不對(duì)稱長(zhǎng)軸背斜，如圖2所示[22]。除斷層及裂縫發(fā)育外，高陡、地層橫向變化快、應(yīng)力復(fù)雜使構(gòu)造更加復(fù)雜化。儲(chǔ)集層石炭系呈薄層狀，厚度僅10 m 左右，且受傾角、斷層影響，地層傾角變化大。

圖2 高陡構(gòu)造地震剖面圖

1.4 低壓氣藏與常壓氣藏互層

經(jīng)過(guò)多年的立體開(kāi)采，目前茅口組氣藏地層壓力系數(shù)僅0.2左右，因縫洞發(fā)育，氣藏采空度高，形成了易嚴(yán)重漏失的縫洞發(fā)育區(qū)；石炭系氣藏地層壓力系數(shù)僅0.1；而茅口組之上的長(zhǎng)興組開(kāi)發(fā)力度不大，茅口組之下的棲霞組未進(jìn)行開(kāi)發(fā)，均為常壓層。

1.5 儲(chǔ)集層完整性受廢棄老井影響

庫(kù)內(nèi)的老井主要以儲(chǔ)集層或儲(chǔ)集層以上的氣藏為目的層，經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，老井井口裝置、油層套管、水泥環(huán)質(zhì)量等均受到不同程度腐蝕損傷，不但不能承擔(dān)起注采井重任，還在一定程度上影響儲(chǔ)集層的完整性。

2 安全快速鉆完井技術(shù)

面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件給鉆完井工程帶來(lái)的挑戰(zhàn)，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)首先要考慮的是在復(fù)雜地質(zhì)條件下安全作業(yè)，然后才是經(jīng)濟(jì)建庫(kù)。

2.1 軌跡個(gè)性化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

增大井眼與儲(chǔ)層的接觸面積是增強(qiáng)儲(chǔ)氣庫(kù)注采井能力的重要手段之一。相國(guó)寺注采井總體采用了沿構(gòu)造傾向或軸向斜穿儲(chǔ)層的三維地質(zhì)靶體方式來(lái)增加儲(chǔ)層段鉆進(jìn)進(jìn)尺，如圖3所示；同時(shí)，也受同場(chǎng)井、礦產(chǎn)采空坑道、斷層/縫洞發(fā)育區(qū)、頁(yè)巖/煤垮塌層的影響,新部署的注采井在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)單井情況將井眼相碰、鉆井介質(zhì)漏入采空坑道、軌跡觸頂穿底等風(fēng)險(xiǎn)納入關(guān)鍵點(diǎn)控制，風(fēng)險(xiǎn)控制主要通過(guò)軌跡個(gè)性化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即避開(kāi)煤礦采空坑道、縫洞發(fā)育區(qū)、斷層，拉開(kāi)與同場(chǎng)井的距離，縮短易垮塌地層進(jìn)尺，著陸之前根據(jù)著陸點(diǎn)儲(chǔ)集層傾角調(diào)整井斜角。如圖4所示，軌跡個(gè)性化設(shè)計(jì)前將從茅口組縫洞發(fā)育區(qū)中穿過(guò)，軌跡個(gè)性化設(shè)計(jì)后成功繞過(guò)茅口組縫洞發(fā)育區(qū)，避免鉆遇縫洞型井漏。

圖3 XC1井靶體投影示意圖

圖4 CX10井地質(zhì)繞障軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

大尺寸井眼在定向繞障井段，宜選用尺寸較大、剛性較強(qiáng)的螺桿、鉆鋌及鉆桿等，減少斷鉆具事件；固井前宜分段多次通井，通井鉆具組合的剛度宜逐步增加。

高陡構(gòu)造中，若靶點(diǎn)深度、傾角及視傾角預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，易導(dǎo)致脫靶、提前入靶或入靶角度不理想，在儲(chǔ)集層有限空間里很難進(jìn)行有效調(diào)整，因此，提前預(yù)判入靶點(diǎn)深度、入靶所需井斜角和方位至關(guān)重要。施工中，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、三維地震數(shù)據(jù)、實(shí)鉆地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)等對(duì)實(shí)鉆地質(zhì)剖面進(jìn)行實(shí)時(shí)恢復(fù)，從不同方位的過(guò)井剖面展開(kāi)對(duì)設(shè)計(jì)入靶點(diǎn)深度、靶體視傾角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，落實(shí)軌跡控制中每個(gè)細(xì)節(jié)，確保井眼軌跡按預(yù)期中靶，降低軌跡進(jìn)入儲(chǔ)集層后調(diào)整難度。

2.2 氣體鉆井技術(shù)

庫(kù)區(qū)內(nèi)中上部地層破碎，部分井段存在裂縫、溶洞等，采用鉆井液鉆進(jìn)時(shí)井漏嚴(yán)重，漏程長(zhǎng)，漏失量大，堵漏周期長(zhǎng)且效果不理想。氣體鉆井技術(shù)在川渝地區(qū)已是成熟技術(shù)，在相國(guó)寺構(gòu)造集成應(yīng)用氣體鉆井工藝是優(yōu)快鉆井和經(jīng)濟(jì)建庫(kù)行之有效的方法。針對(duì)惡性井漏、地層出水、井底有沉砂等井下復(fù)雜，應(yīng)在裝備配置及應(yīng)急預(yù)防方面做足準(zhǔn)備。在嚴(yán)重井漏井段采用大排量提升氣體攜屑能力；在地層出水井段根據(jù)出水量大小擇機(jī)實(shí)施霧化和充氣工藝的轉(zhuǎn)換；在確認(rèn)井底有沉砂時(shí)，分段多次舉砂清砂，保持井眼清潔。

2.3 超低壓枯竭氣藏儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

相國(guó)寺石炭系儲(chǔ)集層裂縫、孔隙發(fā)育程度高，滲透率值區(qū)間為55.912～1 151.6 mD，地層壓力下降91.68%，鉆井液中固相顆粒容易在正壓差作用下對(duì)孔喉、裂縫造成嚴(yán)重傷害。集成應(yīng)用多級(jí)架橋屏蔽暫堵技術(shù)是超低壓枯竭氣藏儲(chǔ)層保護(hù)的有效途徑，借助正壓差作用在近井壁形成屏蔽暫堵環(huán)，阻止鉆井液中固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。相國(guó)寺石炭系儲(chǔ)集層孔喉直徑多是小于0.5 mm、裂縫寬度也小于1 mm，利用D90架橋原理，分別采用D90為0.83 mm、0.43 mm的礦物類一級(jí)、二級(jí)架橋顆粒和D90為0.15 mm的可變形類三級(jí)架橋顆粒實(shí)施橋堵，具體配方為：鉆井液+2.5%～5%一級(jí)架橋顆粒+1.5%～2.5%二級(jí)架橋顆粒+0.1%～0.3%三級(jí)架橋顆粒。該配方酸溶率≥93.82%，對(duì)鉆井液流變性、潤(rùn)滑性影響小，巖心損害率由41.87%降低至18.33%。多級(jí)架橋顆粒性能參數(shù)見(jiàn)表1，加入多級(jí)架橋顆粒后鉆井液性能評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

表1 多級(jí)架橋顆粒粒徑分布優(yōu)化

表2 多級(jí)架橋顆粒鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.4 注采管柱安全下入工藝

注采管柱安全下入工藝是枯竭型氣藏注采井完井工藝中的關(guān)鍵技術(shù)?？萁咝蜌獠剡B通性好，建庫(kù)初期儲(chǔ)集層壓力系數(shù)低，建庫(kù)后期隨著注氣量增加壓力系數(shù)也將增大，為控制管柱下入時(shí)的井控安全風(fēng)險(xiǎn)和提高作業(yè)時(shí)效，井漏嚴(yán)重、管柱下入過(guò)程中存在漏轉(zhuǎn)噴風(fēng)險(xiǎn)的井采用分段下入工藝，在帶壓作業(yè)井口裝置的協(xié)助下，先快速下入帶斷銷式盲堵的BWD插管封隔器管柱，如圖5(a)所示，坐封建立安全屏障后，再回插可取式封隔器+油管+井下安全閥管串，如圖5(b)所示，環(huán)空注液氮或保護(hù)液保護(hù)套管；而漏失量小、井內(nèi)壓力可以控制的井則采用一次性下入工藝，將支撐儲(chǔ)層的防砂篩管、油管和井下安全閥等管串一次性下入到底，雖然一次性下入氣密封油管所耗周期較長(zhǎng)，但井內(nèi)壓力可控，井下風(fēng)險(xiǎn)較小，可有效節(jié)省一次起下鉆作業(yè)周期。

圖5 注采管柱分段下入工藝流程示意圖

3 井筒完整性控制技術(shù)

儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性是儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行的重要保障, 井筒完整性不僅包括新建注采井井筒完整性，還應(yīng)包括老井治理的完整性。

3.1 注采井井筒完整性控制技術(shù)

注采井運(yùn)行期間在強(qiáng)注、強(qiáng)采的交變載荷作用下易產(chǎn)生如圖6所示的泄漏通道，成為儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期完整性隱患。以生產(chǎn)套管為界限，在管外儲(chǔ)集層天然氣穿過(guò)套管鞋經(jīng)水泥環(huán)縫隙或薄弱蓋層上竄至地面或者其它低壓層，形成管外通道；在管內(nèi)經(jīng)密封不嚴(yán)的封隔器膠筒、油管絲扣、油管掛等竄至井口。為降低生產(chǎn)套管內(nèi)外氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)，從井身結(jié)構(gòu)、管內(nèi)外密封完整性方面著手，強(qiáng)化井屏障部件，保障井筒密封完整性，從而提高注采井全生命周期。

圖6 注采井潛在的泄漏通道示意圖

3.1.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

相國(guó)寺構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，從地表至儲(chǔ)集層存在多個(gè)薄弱點(diǎn)，如圖7所示，通過(guò)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立多級(jí)管外屏障，逐級(jí)屏蔽地層復(fù)雜，阻止儲(chǔ)集層氣體經(jīng)各個(gè)薄弱點(diǎn)上竄至低壓氣層或井口，防止形成管外泄漏通道。其中，生產(chǎn)套管鞋位于儲(chǔ)集層頂，用管外封隔器+水泥環(huán)隔斷儲(chǔ)集氣與蓋層及以上地層的接觸；技術(shù)套管鞋處于低壓區(qū)底部，用管外封隔器+水泥環(huán)加強(qiáng)套管與地層之間的密封。

圖7 XGS注采井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

3.1.2 管外密封完整性控制技術(shù)

相國(guó)寺注采井生產(chǎn)套管固井質(zhì)量主要受長(zhǎng)興組、棲霞組氣藏及茅口組縫洞發(fā)育區(qū)影響，存在水泥環(huán)不能完全充填、氣竄和環(huán)空帶壓的風(fēng)險(xiǎn)。在強(qiáng)注強(qiáng)采的交變載荷下，套管絲扣、管外水泥環(huán)均易受損出現(xiàn)微裂縫。提高套管密封性、水泥環(huán)完整性有利于管外密封、延緩微裂縫發(fā)展速度和規(guī)模。

生產(chǎn)套管采用了懸掛回接方式，使用了氣密封套管、防氣竄彈性水泥漿、管外封隔器等固井材料及工具，集成應(yīng)用了通井管柱等效剛度設(shè)計(jì)、套管居中度評(píng)估與優(yōu)化技術(shù)、預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)、全過(guò)程精細(xì)控壓固井技術(shù)、套管氣密封檢測(cè)技術(shù)等多種固井工藝技術(shù)[21]，以保障固井作業(yè)時(shí)井眼通暢、套管居中，控制井底壓力波動(dòng)，避免因井漏或氣竄不受控制影響固井質(zhì)量。

川慶鉆探公司自主研發(fā)的全過(guò)程全自動(dòng)精細(xì)控壓固井技術(shù)通過(guò)固井全參數(shù)采集、井筒壓力實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算、目標(biāo)當(dāng)量密度與井口套壓實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)控制等，實(shí)現(xiàn)了固井不同工況的井筒壓力精確計(jì)算、控壓指令快速切換和環(huán)空壓力的精確控制，降低了人工計(jì)算的誤差值，克服了在窄密度窗口條件下固井作業(yè)的溢漏復(fù)雜，大幅提高了固井質(zhì)量和生產(chǎn)時(shí)效。

彈性水泥漿主要通過(guò)降低水泥石的彈性模量和滲透率，增加水泥石的抗壓和抗拉強(qiáng)度，最大程度提高頻繁強(qiáng)注強(qiáng)采條件下水泥環(huán)密封效果。表3為防竄彈性水泥漿性能與中石油集團(tuán)公司、相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)用水泥漿性能要求的對(duì)比[25]。其中，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是防竄彈性水泥漿養(yǎng)護(hù)7 d后的水泥石力學(xué)性能。從表3可以看出，防竄彈性水泥漿性能滿足中石油集團(tuán)公司及相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)方對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)用水泥漿性能的要求。

表3 防竄彈性水泥漿性能對(duì)比表

固井前降低井內(nèi)鉆井液密度和粘切，保障套管居中度，采用高效沖洗液、合理的施工參數(shù)和水泥漿流變性能充分提高環(huán)控頂替效率，注水泥后通過(guò)施加外擠壓力使套管、地層具備彈性能，利用預(yù)應(yīng)力原理，在水泥石發(fā)生徑向體積收縮時(shí)，釋放彈性能，從而彌補(bǔ)體積收縮產(chǎn)生套管與水泥石之間的微間隙，確保套管與環(huán)空之間的密封性，增加水泥環(huán)的完整性。

3.1.3 管內(nèi)密封完整性控制技術(shù)

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井生產(chǎn)套管內(nèi)注采管柱承擔(dān)著注氣和采氣兩個(gè)循環(huán)生產(chǎn)過(guò)程，長(zhǎng)時(shí)間與高速流動(dòng)的氣體接觸，注采管柱及井口裝置的密封完整性需滿足長(zhǎng)期生產(chǎn)要求。

注采管柱完整性的屏障組件主要由井下安全閥、油管和完井封隔器組成。優(yōu)選滿足防腐、耐壓、密封要求的9Cr1Mo、35 MPa自平衡式井下安全閥，即使在井口或地面出現(xiàn)異常情況也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或人為關(guān)閉油氣通道，以保障氣庫(kù)的安全性；儲(chǔ)層段以上井段選用?114.3 mm或?177.8 mm的80S氣密封油管(注采氣量小于150×104m3/d的井選用?114.3 mm油管，注采氣量小于420×104m3/d的井則選用?177.8 mm油管)，其通徑、強(qiáng)度、密封性、抗沖蝕能力均滿足長(zhǎng)期注采要求；儲(chǔ)層段則采用中心管?127 mm、95S的沖鋒防砂篩管，利于氣體均勻進(jìn)出儲(chǔ)層與井筒的同時(shí)能有效阻擋地層砂或巖屑進(jìn)入井筒；9Cr1Mo、35 MPa、177 ℃完井封隔器保障有效密封油套環(huán)空，實(shí)現(xiàn)了注采期間井完整性的可靠控制。

按照API 14E標(biāo)準(zhǔn)井口沖蝕產(chǎn)量為256×104m3/d，注采氣量小于150×104m3/d的井采用“十”字形采氣井口裝置，注采氣量大于150×104m3/d的井采用“Y”型整體鍛造采氣井口裝置，井口裝置安全余量充足，滿足長(zhǎng)期安全生產(chǎn)需求。

3.2 老井井筒完整性控制技術(shù)

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的老井主要以儲(chǔ)集層或儲(chǔ)集層以上的氣藏為目的層，通過(guò)對(duì)采氣井口裝置、油層套管、固井質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)井屏障基本功能喪失，需要進(jìn)行封堵重新建立井筒完整性。英國(guó)石油和天然氣行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《棄井指南》要求具有流動(dòng)潛力的滲透區(qū)域都有1道永久屏障或者2道合適屏障進(jìn)行隔離，全井筒整體必須有2道屏障，并提出“蓋層修復(fù)”概念；挪威也提出棄井兩級(jí)井筒屏障，以及層間流動(dòng)井筒屏障，另外，對(duì)管外環(huán)空水泥膠結(jié)不好的井還要求鍛銑重新建立屏障；而美國(guó)在這方面的要求不高，旨在保護(hù)淡水層和封堵油氣資源，僅建議作業(yè)商在淡水層最底部及表層各注一橋塞，封堵可能會(huì)產(chǎn)出碳?xì)浠衔锏膶佣魏妥⑺畬?，防止地表水滲入井筒內(nèi)。

3.2.1 低壓易漏失地層暫堵壓井一體化技術(shù)

儲(chǔ)集層地層壓力系數(shù)極低，連通性好，治理過(guò)程中存在高密度壓井液大量漏失的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)低壓井先采用清水或清潔鹽水(如KCl溶液)進(jìn)行試壓井；若有井漏且漏失量較大，則可先用堵漏效果好、污染輕的固化水進(jìn)行暫堵壓井；如固化水仍漏失嚴(yán)重，轉(zhuǎn)為凝膠暫堵修井液進(jìn)行暫堵壓井。

3.2.2 封堵棄井技術(shù)

壓井成功后對(duì)含氣層進(jìn)行永久性水泥封堵，徹底隔絕天然氣進(jìn)入井筒或者上部地層。為達(dá)到永久封堵效果，選用具有良好流變性和地層穿透性的超細(xì)水泥漿體系作為永久封堵的堵劑。超細(xì)水泥漿凝固后，根據(jù)油層套管剩余強(qiáng)度值及儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力對(duì)水泥塞進(jìn)行試壓，滿足要求后再在水泥塞之上下機(jī)械橋塞進(jìn)行封閉，進(jìn)一步提升封堵效果。為防止高密度水泥漿大量漏進(jìn)儲(chǔ)層和影響水泥塞質(zhì)量，可先注入一定量的快凝水泥漿或者堵漏水泥漿，再向產(chǎn)層擠注一定量的常規(guī)水泥漿。進(jìn)入產(chǎn)層的水泥漿總量應(yīng)根據(jù)產(chǎn)層厚度、孔隙度以及封堵半徑核定，在確保封閉效果的情況下盡量減少擠占儲(chǔ)層空間。

對(duì)生產(chǎn)套管磨損和腐蝕嚴(yán)重或生產(chǎn)套管外水泥環(huán)質(zhì)量很差以及B環(huán)空竄氣的井，采用套管鍛銑技術(shù)對(duì)蓋層段的生產(chǎn)套管進(jìn)行鍛銑擴(kuò)眼，然后對(duì)蓋層進(jìn)行徹底封閉，以杜絕氣庫(kù)天然氣外溢風(fēng)險(xiǎn)。單個(gè)鍛銑長(zhǎng)度一般大于30 m為宜；在套壓允許的范圍內(nèi)采用高壓擠注工藝進(jìn)行注塞施工，并帶壓候凝、驗(yàn)封。

對(duì)于技術(shù)套管外環(huán)空竄氣的井，進(jìn)行竄氣氣質(zhì)分析，判斷氣源。若是產(chǎn)層氣，則應(yīng)對(duì)產(chǎn)層進(jìn)行擠注水泥封堵，并視情況對(duì)儲(chǔ)集層上部套管進(jìn)行鍛銑，重新擠注水泥塞進(jìn)行環(huán)空封堵。對(duì)固井水泥漿未返至地面的老井，進(jìn)行“反打”灌入水泥漿至地面，采用“戴帽子”的方法進(jìn)行環(huán)空封堵。

3.2.3 封堵棄井實(shí)踐

經(jīng)過(guò)評(píng)估，相國(guó)寺庫(kù)區(qū)內(nèi)有老井18口需要封堵棄井。其中，8口井固井質(zhì)量合格率低于60%，6口井生產(chǎn)套管壁厚損傷在3 mm以上。根據(jù)目的層不同分為兩個(gè)類型：目的層為儲(chǔ)集層或目的層為儲(chǔ)集層+其它產(chǎn)層；目的層為其它產(chǎn)層?？紤]各井對(duì)氣庫(kù)全生命周期的影響程度，對(duì)目的層為儲(chǔ)集層的8口老井進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量棄井作業(yè)：清洗井筒，變形套管進(jìn)行整形，打撈、磨銑井底落魚(yú)，射孔地層擠注水泥封堵，儲(chǔ)集層段復(fù)合暫堵后注水泥塞封堵，蓋層段水泥環(huán)質(zhì)量不滿足要求的鍛銑擴(kuò)眼、蓋層修復(fù)，橋塞+水泥塞+橋塞+水泥塞封堵井筒，下光油管完井。如表4所示，蓋層鍛銑長(zhǎng)度多數(shù)在30 m以上，井筒內(nèi)水泥塞封堵長(zhǎng)度除X25井外段長(zhǎng)在1 223.35～1 615.44 m，滿足阻斷集氣層氣體向其它滲透性地層流動(dòng)或沿井筒內(nèi)上竄的風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)圖8。

表4 儲(chǔ)集層中重點(diǎn)老井棄井評(píng)估及封堵數(shù)據(jù)表

圖8 儲(chǔ)集層的老井封堵示意圖

4 氣庫(kù)運(yùn)行情況

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)共計(jì)完成注采井及監(jiān)測(cè)井的鉆完井作業(yè)24口，成功率100%，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)鉆一口井即成功一口井。其中，XC4井僅用88 d完成鉆井作業(yè)，完井周期103 d，實(shí)現(xiàn)了相國(guó)寺高陡構(gòu)造復(fù)雜地質(zhì)條件下主采井90 d內(nèi)完鉆的安全快速鉆完井理想目標(biāo)。2013年XC8井第一次試注成功；2014年12月成功調(diào)峰采氣，開(kāi)始為季節(jié)調(diào)峰保供出力，實(shí)現(xiàn)由“采氣”到“儲(chǔ)氣”的華麗轉(zhuǎn)身；截止2021年9月,相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)共完成8注7采，進(jìn)入第9注氣期，累計(jì)注入天然氣124×108m3，累計(jì)調(diào)峰采氣85.94×108m3。

經(jīng)過(guò)9年的注采驗(yàn)證，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力完全滿足季節(jié)調(diào)峰設(shè)計(jì)要求，注采井未發(fā)現(xiàn)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，井筒完整密封、安全可靠，運(yùn)行良好，有力地保障了冬季天然氣的供應(yīng)。

隨著2021年9月21日最后一口注采井XC20井的完鉆，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)鉆井工程圓滿完成。相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣調(diào)峰能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，日采氣量最高可達(dá)到2 855×104m3，單期調(diào)峰將具備23×108m3的能力。

5 結(jié)論與建議

(1)相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)以控制建設(shè)成本、保障井筒完整性為目標(biāo)，系統(tǒng)研究和集成應(yīng)用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、氣體鉆井技術(shù)、超低壓儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)、井筒完整性控制技術(shù)，形成了枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)鉆完井配套技術(shù)。

(2)相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)的成功建設(shè)不僅對(duì)區(qū)域的調(diào)峰保供起到了重要作用，更是西部大開(kāi)發(fā)的重要能源動(dòng)脈。后續(xù)黃草峽等多個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)建成后，四川盆地作為重要產(chǎn)氣區(qū)，將為大西南經(jīng)濟(jì)騰飛作出貢獻(xiàn)。

(3)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的裝備及技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)還需要繼續(xù)提升。從相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)鉆井時(shí)效占比情況來(lái)看，油套管的氣密檢測(cè)、惡性井漏封堵的時(shí)間還占有很大比例，下步可在氣密封檢測(cè)裝備及技術(shù)上進(jìn)一步加強(qiáng)攻關(guān)，以縮短氣密封油套管入井的周期；另外，我國(guó)多數(shù)枯竭型氣藏都存在構(gòu)造破碎、埋藏深、斷層發(fā)育，形成成熟的堵漏技術(shù)體系，也是下步工作的重點(diǎn)。